5kA 以上的大功率应用需要一种新的电流测量方法

全球电力公用事业正在发生变化。 过去,电力的主要来源是煤炭、天然气、石油甚至核电站,而如今,风能和太阳能等可再生能源正变得越来越重要。 2020 年是有史以来风能发展最好的一年,全球新增装机容量达 93 千兆瓦,同比增长 53%。 这一趋势还将继续,因为世界的目标是到 2050 年实现碳净零排放。

作者:Loic Moreau,达尼森公司技术营销副总裁

全球风能理事会(GWEC)发布的一份新报告认为,为了避免气候变化带来的最坏影响,世界需要在未来十年内将风力发电的安装速度提高三倍。

这推动了电力行业各个方面的巨大变革,包括用于测量大电流的方法。 传统化石燃料发电站的最大优势是供电非常稳定,易于控制和调节。 可再生能源的电力来源是不稳定的,例如,除非刮风,否则不会发电。 光伏装置或其他可再生能源使用的电力转换器产生的直流电流可以注入传统的交流电网,因此传统的大电流测量技术并不适用。

另一个相关趋势与大型电池有关。 为了在需要时使用电力,而不仅仅是在发电时使用电力,正在建造巨大的电池系统。 加利福尼亚州蒙特雷湾的莫斯兰丁发电厂曾是加利福尼亚州最大的天然气发电厂,现在这里有世界上最大的电池,在太阳能电池板和风力发电场发电时储存多余的能量,并在闲置时将其输入电网。

更名后的莫斯兰丁储能设施一期工程于 2020 年 12 月开始运行,产能为 300 兆瓦/1200 兆瓦时。 项目第二阶段将于 2021 年 8 月完成,届时将再增加 100 兆瓦/400 兆瓦时。 如此巨大的设备还需要非常精确的大电流测量。

事实再次证明,传统方法无法胜任这项任务。

相反,需要测量 5kA 以上电流的应用越来越多地采用零磁通技术,即利用电流循环产生的磁场,如 Danisense 的磁通门技术。

Principles of zero-flux current transducer operation
closed loop current transducer principle
closed-loop principle

零流量技术

要解释零流量技术的运行,首先应该考虑一些基本原理。 在图 1 中,左上方显示的是围绕磁棒的拾取线圈;右上方显示的是带有电阻和电感的等效电路。 施加电压时,电路中的电流如红色曲线所示。 电流根据电感值的斜率逐渐增长,直到电感饱和为止。 在这种情况下,可以认为等效电路仅具有电阻性。

在制作零磁通量电流传感器时,拾取棒所用的材料具有特定的磁性,这使得电流遵循蓝色曲线。 起初,由于阻抗值较高,电流增长缓慢。 然后,电感突然达到饱和,电流迅速增大,达到之前的终点。

如果现在施加一个方形电压信号,电流曲线就会变成一个连续的正负饱和和去饱和周期。 如果导体靠近磁通门元件,电流循环将产生额外的磁场,通过移动零点位置来影响信号(图 2a – 蓝色曲线)。 最后,通过对二次谐波进行信号处理,可以了解初级电流的详细信息(图 2a – 紫色曲线)。

为了进一步提高电流感应器的性能,制造商通常会将零流量技术与闭环原理相结合,如图 2b 所示。 在这里,磁通门元件被放置在气隙中,在测量磁场时,输出的电流通过第二绕组重新注入,从而产生一个相反方向的磁场。 使用这种方法,磁通门所经历的磁场始终为零,从而消除了偏移和线性问题。

目前主要有四种零流量拓扑结构(图 3)。 第一种 (3a) 以带有气隙的磁芯为基础,外加次级绕组。 它类似于闭环霍尔效应曲线传感器,气隙中的霍尔元件被磁通门取代。 主要优点是偏移漂移效果好。 第二种拓扑结构(3b)是一个单芯片,起着磁通门元件的作用。 由于没有气隙,其主要优点之一是电磁兼容性强,分辨率高。 但由于磁芯很快就会饱和,因此带宽仅限于几赫兹。 第三种拓扑结构通过增加一个风芯(3c)来解决这个问题,它与电流互感器一样只测量交流信号。 在这种情况下,你会得到所有的好处。 不过,如果需要更高的性能,”平衡磁芯”(3d)拓扑结构会采用两个对置的相同磁通门元件。 因此,无论外部环境条件如何(如电磁兼容性或温度变化),两个传感元件之间都会产生自然的被动补偿。 采用这种方法,即使在恶劣的环境中,也能实现 1ppm 的测量精度。

Zero flux technology
Danisense 11kA current sense transducer
Danisense sensing head in a wind turbine installation

通量门技术可用于为所有电流水平提供非常精确、稳定和可重复的电流测量,达尼森公司已开发出一系列电流感应传感器,涵盖 0-600A、600-3000A 和 3kA 以上的电流水平。 对于本文第一部分所讨论的大电流新兴市场,达尼森公司必须应对新的挑战,但目前正在开发高达 30kA 的解决方案,并且认为 Fluxgate 方法没有理论限制。

隔离和安全是大功率应用的关键要求。 管理标准是 IEC 61010。 与公司为低电流应用提供的产品不同,达尼森公司的 DR50000IM(8kA)和 DR10000IM(11kA)电流检测转换器(图 4)将检测头与电子信号处理单元分开。

传感头是一种坚固耐用的无源设备,可以放置在嘈杂的电气环境中并长时间放置,不会受到任何干扰的影响,而由于涉及大电流,干扰不可避免地会存在。 复杂的信号调节和处理可在安全、温控的良性实验室环境中远程完成,距离传感头 30 米。 通过这种方式分离电流感应传感器的功能,还可以使无源感应头足够坚固,以应对严峻的环境条件。 此外,在靠近高磁场的环境中工作是非常危险的,因此这种方法最大限度地减少了操作人员在磁场中操作传感器(例如连接电源和输出)的需要,从而提高了安全性。

Danisense 30kA sensing head

达尼森斯的新型大电流传感器还具有 7 千赫兹的低激发频率。 对于较小的产品,最好使用高达 32kHz 的更高外引频率,因为这样可以提高动态性能。 然而,对于 DR 系列传感器来说,要使如此大的磁芯达到高频饱和,需要大功率电路,而大功率电路体积庞大,价格昂贵。 通过降低频率,达尼森公司在动态性能和功率水平之间取得了良好的平衡。

图 5 显示了达尼森公司的 DR10000IM 传感头在 Sie- mens Gamesa 风力涡轮机上的安装情况。

连接传感头和电子处理阶段的电缆是专门设计的,具有多个双绞线对,每个双绞线对都有第二层屏蔽层。 如果云台和处理装置之间的距离超过 30 米,达尼森公司会使用三根导线来补偿电流,而不是一根导线,以降低电流值和阻抗效应。

达尼森公司的 DR50000IM 和 DR10000IM 电流检测转换器具有 100kHz 的高带宽和超稳定性,线性误差仅为 1ppm。 公司还提供这些传感器的等效电压输出版本 – DR50000UX (8kA) 和 DR10000UX (11kA)

结论

随着智能电网的引入,公用事业公司和其他公司不得不重新考虑他们目前采用的测量技术,因为电力的来源比以往任何时候都要广泛得多。 达尼森公司的磁通门技术已广泛应用于核磁共振扫描仪、电动汽车充电站和欧洲核子研究中心等大型物理机构,事实证明,该技术同样能够处理数十千安培的大电流,并提供准确、稳定和可重复的测量结果。 达尼森公司知道,在不久的将来,还需要测量更大的电流,因此不久将推出一款电流感应传感器,其测量能力可达 30kA(图 6)。 它将拥有达尼森公司有史以来最大的 330 毫米孔径,这也将引起电流需求较低但拥有大直径电缆的公司的兴趣。

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